Lec.14.pptx HOMOGENEOUS FINITE STRAIN: DISPLACEMENT & DEFORMATION GRADIENTS

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10/10/12 1 14. HOMOGENEOUS FINITE STRAIN: DISPLACEMENT & DEFORMATION GRADIENTS I Main Topics A PosiBon, displacement, and differences in posiBon of two points B Chain rule for a funcBon of mulBple variables C Homogenous deformaBon D Examples 10/10/12 GG303 1 14. HOMOGENEOUS FINITE STRAIN: DISPLACEMENT & DEFORMATION GRADIENTS 10/10/12 GG303 2 saUtp.soest.hawaii.edu

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A Position, displacement, and differences in position of two points B Chain rule for a function of multiple variables C Homogenous deformation D Examples

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10/10/12  

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14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

I  Main  Topics    

A  PosiBon,  displacement,  and  differences  in  posiBon  of  two  points    

B  Chain  rule  for  a  funcBon  of  mulBple  variables    C  Homogenous  deformaBon    D  Examples  

10/10/12   GG303   1  

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

10/10/12   GG303   2  

saUtp.soest.hawaii.edu  

10/10/12  

2  

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

10/10/12   GG303   3  

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x  

y  

U1  U2  

X1(?)  

X1’  X2’  

X2(?)  

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

II  PosiBon,  displacement,  and  differences  in  posiBon  of  two  points  A    IniBal  posiBon  vectors:      Pt.  1:    Pt.  2:  

B    Final  posiBon  vectors:      Pt.  1’:    Pt.  2’:  

10/10/12   GG303   4  

PosiBon  Vectors  

Point  1  moves  to  Point  1’  Point  2  moves  to  Point  2’  

X1 =

x1 +y1

X2 =x2 +y2

X ′1 = x ′1 +

y ′1X ′2 = x ′2 + y ′2

10/10/12  

3  

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

II  PosiBon,  displacement,  and  differences  in  posiBon  of  two  points  (cont.)  C  Displacement  vectors    

1    In  terms  of  posi5ons:    Pt.1:    

 Pt.2:    2    In  terms  of  

components:      Pt.1:    

 Pt.2:  

10/10/12   GG303   5  

Point  1  moves  to  Point  1’  Point  2  moves  to  Point  2’  

U2  is  displaced,  rotated,  and  “stretched”  relaBve  to  U1.  

Displacement  Vectors  

U1 =

X ′1 −

X1

U2 =X ′2 −

X2

U1 =

u1 +v1

U2 =u2 +v2

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

II  PosiBon,  displacement,  and  differences  in  posiBon  of  two  points  D  Difference  in  posiBons  

of  Points  1  and  2  1    Difference  in  iniBal  

posiBons    dX  =  X2  −  X1  

2  Difference  in  final  posiBons    dX′=X2’  −  X1’  

10/10/12   GG303   6  

Point  1  moves  to  Point  1’,  not  Point  2  Point  2  moves  to  Point  2’  

dX’  is  displaced,  rotated,  and  stretched  relaBve  to  dX.  

Difference  in  Posi5ons  (not  displacement  vectors)  

10/10/12  

4  

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

II  PosiBon,  displacement,  and  differences  in  posiBon  of  two  points  

E  Displacement  gradient  terms  (in  a  matrix)    

10/10/12   GG303   7  

Displacement  Gradient  Components  

∂u∂x

∂u∂y

∂v∂x

∂v∂y

⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥

Gradient  terms  combine    changes  in  displacement  components  with  

changes  in  posiBon  components  

These  describe  how  the  components  of  U  change    

as  the  components  of  X  change  

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  

GRADIENTS  III  Chain  rule  

A  FuncBons  of  two  variables  

 The  total  change  in  a  funcBon  of  variables  x  and  y  equals  its  rate  of  change  with  respect  to  x,  mulBplied  by  the  change  in  x,  plus  its  rate  of  change  with  respect  to  y,  mulBplied  by  the  change  in  y.    

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z = z x, y( ); dz = ∂z∂xdx + ∂z

∂ydy

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14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

III  Chain  rule  

A  FuncBons  of  two  variables  (cont.)  

x’  =  x’(x,y),  y’  =  y’(x,y)  u  =  u(x,y),      v  =  v(x,y)  

10/10/12   GG303   9  

d ′x =∂ ′x∂x

dx + ∂ ′x∂y

dy

d ′y =∂ ′y∂x

dx + ∂ ′y∂y

dy

du = ∂u∂xdx + ∂u

∂ydy

dv = ∂v∂xdx + ∂v

∂ydy

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

III  Chain  rule  

A  Two  variables  (cont.)  

10/10/12   GG303   10  

d ′x =∂ ′x∂x

dx + ∂ ′x∂y

dy

d ′y =∂ ′y∂x

dx + ∂ ′y∂y

dy

du = ∂u∂xdx + ∂u

∂ydy

dv = ∂v∂xdx + ∂v

∂ydy

d ′xd ′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥=

∂ ′x∂x

∂ ′x∂y

∂ ′y∂x

∂ ′y∂y

⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥

dxdy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

d ′X[ ] = F[ ] dX[ ]

dudv

⎣⎢

⎦⎥ =

∂u∂x

∂u∂y

∂v∂x

∂v∂y

⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥

dxdy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

dU[ ] = Ju[ ] dX[ ]

Matrix  form  

10/10/12  

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14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

III  Chain  rule  

B  Three  variables  

10/10/12   GG303   11  

d ′xd ′yd ′z

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥=

∂ ′x∂x

∂ ′x∂y

∂ ′x∂z

∂ ′y∂x

∂ ′y∂y

∂ ′y∂z

∂ ′z∂x

∂ ′z∂y

∂ ′z∂z

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

dxdydz

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥

d ′X[ ] = F[ ] dX[ ] dU[ ] = Ju[ ] dX[ ]

dudvdw

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥=

∂u∂x

∂u∂y

∂u∂z

∂v∂x

∂v∂y

∂v∂z

∂w∂x

∂w∂y

∂w∂z

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

dxdydz

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥

Final  posiBon  in  terms  of  iniBal  posiBon   Displacement  in  terms  of  iniBal  posiBon  

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

IV  Homogeneous  strain  

A  EquaBons  of  homogeneous  2-­‐D  strain  1  Chain  rule  

10/10/12   GG303   12  

d ′x =∂ ′x∂x

dx + ∂ ′x∂y

dy

d ′y =∂ ′y∂x

dx + ∂ ′y∂y

dy

du = ∂u∂xdx + ∂u

∂ydy

dv = ∂v∂xdx + ∂v

∂ydy

1  Scale  a  At  a  point,  derivaBves  have  unique  

(constant)  values;  equaBons  are  linear  in  dx  and  dy  in  the  neighborhood  of  the  point  (e.g.,  dx’  and  dy’  depend  on  dx  and  dy  raised  to  the  first  power.    

b  If  the  derivaBves  do  not  vary  with  x  or  y,  (i.e.,  are  constant),  then  the  equaBons  are  linear  in  dx  and  dy  no  mager  how  large  dx  and  dy  are.  This  is  the  condi5on  of  homogenous  strain.  

c  Homogeneous  strain  applies  at  a  point  

d  Homogeneous  strain  is  applied  to  “small”  regions  

e  DeformaBon  in  large  regions  is  invariably  inhomogeneous  (derivaBves  vary  spaBally)  

10/10/12  

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14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

A  EquaBons  of  homogeneous      2-­‐D  strain  (cont.)  2  Common  reformulaBon  

a  For  constant  derivaBves  a,  b,  c,  d,  replace  dx,  dy,  dx’  and  dy’  by  x,  y,  x’,  and  y’            (derivaBves  are  the  same  for  small  dx  or  large  x)  

b  Linearity  is  clarified    c  Chain  rule  origin  is  

obscured    

10/10/12   GG303   13  

d ′x =∂ ′x∂x

dx + ∂ ′x∂y

dy⇒

′x =      ax   +   by

d ′y =∂ ′y∂x

dx + ∂ ′y∂y

dy⇒

′y   =     cx   +   dy

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

A  EquaBons  of  homogeneous  2-­‐D  strain  (cont.)  

1  Lagrangian  a  x’  =  ax  +  by  b  y’    =  cx  +  dy  

2  Eulerian  (see  derivaBon)  

a  x  =  Ax’  +  By’  b  y  =  Cx’  +  Dy’  

10/10/12   GG303   14  

Final  posiBons  

IniBal  posiBons  

Final  posiBons  

IniBal  posiBons  

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14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

DerivaBon  of  Eulerian  equaBons  a  x’  =  ax  +  by    y  =  (x’–ax)/b  b  y’  =  cx  +  by    y  =  (y’–cx)/d    Equate  right  sides  above  d  (x’  –  ax)/b  =  (y’  –  cx)/d    e  d(x’–ax)  =  b(y’–  cx)  f  cbx  –  adx  =  by’-­‐dx’  g    x(cb-­‐ad)  =  by’-­‐dx’  h  x  =  [-­‐d/(cb-­‐ad)]  x’                                                  

       +  [b/(cb-­‐ad)]  y’  i  x  =  Ax’  +  By’  

j  x’  =  ax  +  by    x  =  (x’–by)/a  k  y’  =  cx  +  by  ! !x  =  (y’–dy)/c  Equate  right  sides  above  l  (y’  –  dy)/c  =  (x’  –  by)/a    m  a(y’  –  dy)  =  c(x’  –  by)    n  cby  –  ady  =  cx’-­‐ay’  o  y(cb-­‐ad)  =  cx’-­‐ay’  p  y  =  [c/(cb-­‐ad)]x’            +  [-­‐a/(cb-­‐ad)]y’  

q  y  =  Cx’  +  Dy’          

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14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

IV    Homogenous  (uniform)  deformaBon  (cont.)  B    Straight  parallel  lines  

remain  straight  and  parallel  (see  appendix)  

C    Parallelograms  deform  into  parallelograms  in  2-­‐D;    

D  Parallelepipeds  deform  into  parallelepipeds  in  3-­‐D  

10/10/12   GG303   16  

10/10/12  

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14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

IV    Homogenous  (uniform)  deformaBon  (cont.)  E    Circles  deform  into  ellipses  in  

2-­‐D  (see  appendix);  Spheres  deform  into  ellipsoids  in  3-­‐D  

F    The  shape,  orientaBon,  and  rotaBon  of  the  strain  ellipse  or  ellipsoid  describe  homogeneous  deformaBon.      

G  The  rotaBon  is  the  angle  between  the  axes  of  the  strain  ellipse  and  their  counterparts  before  any  deformaBon  occurred  (to  be  elaborated  upon  later).  

10/10/12   GG303   17  

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

IV    Homogenous  (uniform)  deformaBon  (cont.)  H    Lagrangian  equaBons  

for  posiBon  1  

2    

3  

I  Lagrangian  equaBons  for  displacement  1  

2  

3  

4  

10/10/12   GG303   18  

′x = ax + by′y = cx + dy

′x′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= a b

c d⎡

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

′X[ ] = F[ ] X[ ]

F  =  DeformaBon  gradient  matrix  

u = ′x − x = a −1( )x + byv = ′y − y = cx + d −1( )yuv

⎣⎢

⎦⎥ =

a −1 bc d −1

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

          =e fg h

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

U = Ju[ ] X[ ]

Ju[ ] = F[ ]− I[ ], where I = 1 00 1

⎣⎢

⎦⎥

Ju=  Jacobian  matrix  for  displacements  

10/10/12  

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14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

PosiBon  transformaBons  (Lagrangian)  

Displacement  equaBons  (Lagrangian)  

PosiBon  transformaBons          (matrix  form)  

Displacement  equaBons          

(matrix  form)  

DeformaBon  gradient  tensor  F  

Displacement  gradient  tensor  Ju  

10/10/12   GG303   19  

V  Examples    A  No  deformaBon  

′x′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 1 0

0 1⎡

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

uv

⎣⎢

⎦⎥ =

0 00 0

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

1 00 1

⎣⎢

⎦⎥

0 00 0

⎣⎢

⎦⎥

′x = 1x + 0y′y = 0x +1y

u = 0x + 0yv = 0x + 0y

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

PosiBon  transformaBons  (Lagrangian)  

Displacement  equaBons  (Lagrangian)  

PosiBon  transformaBons          (matrix  form)  

Displacement  equaBons          

(matrix  form)  

DeformaBon  gradient  tensor  F  

Displacement  gradient  tensor  Ju  

10/10/12   GG303   20  

V  Examples    B  Rigid  body  translaBon  

′x′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 1 0

0 1⎡

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥+

cxcy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

uv

⎣⎢

⎦⎥ =

0 00 0

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

1 00 1

⎣⎢

⎦⎥

0 00 0

⎣⎢

⎦⎥

′x = 1x + 0y + cx′y = 0x +1y + cy

u = 0x + 0yv = 0x + 0y

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14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  Example  C:  Rigid  body  rotaBon  

PosiBon  transformaBons  (Lagrangian)  

Displacement  equaBons    (Lagrangian)  

PosiBon  transformaBons          (matrix  form)  

Displacement  equaBons          (matrix  form)  

DeformaBon  gradient  tensor  F  

Displacement  gradient  tensor  Ju  

10/10/12   GG303   21  

V  Examples    C  Rigid  body  rotaBon  

′x′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= cos60° − sin60°

sin60° cos60°⎡

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

cos60° − sin60°sin60° cos60°

⎣⎢

⎦⎥

cos60° −1 − sin60°sin60° cos60° −1

⎣⎢

⎦⎥

′x = cos60°( )x − sin60°( )y′y = sin60°( )x + cos60°( )y

u = cos60° −1( )x − sin60°( )yv = sin60°( )x + cos60° −1( )y

′x′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= cos60° −1 − sin60°

sin60° cos60° −1⎡

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

PosiBon  transformaBons  (Lagrangian)  

Displacement  equaBons  (Lagrangian)  

PosiBon  transformaBons          (matrix  form)  

Displacement  equaBons          (matrix  

form)  

DeformaBon  gradient  tensor  F  

Displacement  gradient  tensor  Ju  

10/10/12   GG303   22  

V  Examples    D  Uniaxial  shortening  

′x′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 1 0

0 0.5⎡

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

uv

⎣⎢

⎦⎥ =

0 00 −0.5

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

1 00 0.5

⎣⎢

⎦⎥

0 00 −0.5

⎣⎢

⎦⎥

′x = 1x + 0y′y = 0x + 0.5y

u = 0x + 0yv = 0x − 0.5y

10/10/12  

12  

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

Example  E:  DilaBon  

PosiBon  transformaBons  (Lagrangian)  

Displacement  equaBons  (Lagrangian)  

PosiBon  transformaBons          (matrix  form)  

Displacement  equaBons          

(matrix  form)  

DeformaBon  gradient  tensor  F  

Displacement  gradient  tensor  Ju  

10/10/12   GG303   23  

V  Examples    E  DilaBon  

′x′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 2 0

0 2⎡

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

uv

⎣⎢

⎦⎥ =

1 00 1

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

2 00 2

⎣⎢

⎦⎥

1 00 1

⎣⎢

⎦⎥

′x = 2x + 0y′y = 0x + 2y

u = 1x + 0yv = 0x +1y

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

PosiBon  transformaBons  (Lagrangian)  

Displacement  equaBons  (Lagrangian)  

PosiBon  transformaBons          (matrix  form)  

Displacement  equaBons          (matrix  

form)  

DeformaBon  gradient  tensor  F  

Displacement  gradient  tensor  Ju  

10/10/12   GG303   24  

V  Examples    F  Pure  shear  strain                

(biaxial  strain,  no  dilaBon  

′x′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 2 0

0 0.5⎡

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

uv

⎣⎢

⎦⎥ =

1 00 −0.5

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

2 00 0.5

⎣⎢

⎦⎥

1 00 −0.5

⎣⎢

⎦⎥

′x = 2x + 0y′y = 0x + 0.5y

u = 1x + 0yv = 0x − 0.5y

10/10/12  

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14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

PosiBon  transformaBons  (Lagrangian)  

Displacement  equaBons  (Lagrangian)  

PosiBon  transformaBons          (matrix  form)  

Displacement  equaBons          

(matrix  form)  

DeformaBon  gradient  tensor  F  

Displacement  gradient  tensor  Ju  

10/10/12   GG303   25  

V  Examples    G  Simple  shear  strain  

′x′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 1 2

0 1⎡

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

uv

⎣⎢

⎦⎥ =

0 20 0

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

1 20 1

⎣⎢

⎦⎥

0 20 0

⎣⎢

⎦⎥

′x = 1x + 2y′y = 0x +1y

u = 0x + 2yv = 0x + 0y

14.  HOMOGENEOUS  FINITE  STRAIN:  DISPLACEMENT  &  DEFORMATION  GRADIENTS  

PosiBon  transformaBons  (Lagrangian)  

Displacement  equaBons  (Lagrangian)  

PosiBon  transformaBons          (matrix  form)  

Displacement  equaBons                  

(matrix  form)  

DeformaBon  gradient  tensor  F  

Displacement  gradient  tensor  Ju  

10/10/12   GG303   26  

V  Examples    H  General  deformaBon  (plane  strain)  

′x′y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 2 1

0 −0.5⎡

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

uv

⎣⎢

⎦⎥ =

1 10 −0.5

⎣⎢

⎦⎥

xy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

2 10 −0.5

⎣⎢

⎦⎥

1 10 −0.5

⎣⎢

⎦⎥

′x = 2x +1y′y = 0x + 0.5y

u = 1x +1yv = 0x − 0.5y